基于實例推理方法的仿生設計研究

張家祺　孫惠東

摘要：通過優(yōu)化基于實例推理的設計方法中實例庫，來提高仿生設計的設計速度與質(zhì)量。通過對基于實例推理方法中實例表達的分析，得到仿生設計仿生源的實例庫建立的方法，深度發(fā)掘仿生設計中生物學和形態(tài)學內(nèi)容，探討仿生設計中基于實例推理的方法中關于實例表達的形式創(chuàng)新。得到新的設計結果。將基于實例推理方法運用到仿生設計上，制訂出符合仿生設計的實例庫中每個實例的表達方法及形式。

關鍵詞：仿生設計 實例推理 實例表達 實例庫 檢索框架

中圖分類號：J0 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）04-0053-03

引言

仿生創(chuàng)造是人類向自然界不斷學習，不斷探索的本能力量的表現(xiàn)，從古至今，自然界都是人類各種發(fā)明創(chuàng)造的思想來源，也是技術革命的重要啟蒙老師，隨著科學技術的發(fā)展，仿生學的外延也在不斷延伸，Janine Benyus和她的合作者提出從生物學到設計的螺旋模型和從挑戰(zhàn)到生物學的設計模型兩種仿生設計方法;蔡江宇、王金鈴對仿生設計與自然觀、生命哲學、符號學、語言學、心理學等不同學科進行理論研究，將仿生設計分為物質(zhì)現(xiàn)象層和精神內(nèi)核層的仿生，其中物質(zhì)上的仿生中形態(tài)的仿生更具親和力，把仿生設計具體到造型仿生、色彩仿生、肌理仿生、功能仿生、結構仿生、情感仿生、趣味仿生、直覺仿生等具體仿生設計方法，近年來生物效應的多重利用的出現(xiàn)致使仿生設計的復雜程度日益增加，完備的仿生設計方法開發(fā)則不失為一種解決手段。

CBR（case-based reasoning）——基于實例推理的設計方法是通過對已有實例庫進行搜索匹配，找出與解決當前問題相似的實例，再通過對以往相似實例的解決辦法的修改、應用，解決當前問題的方法。基于實例推理的歷史可以追溯到20世紀80年代初耶魯大學Roger Schank及其學生的工作，Schank于1982年提出的動態(tài)記憶模型是最早關于CBR的理論，在進行問題求解時借助先前求解類似問題的經(jīng)驗進行推理，基于實例推理的本質(zhì)內(nèi)涵是一種自學習過程，常婷等針對自動制孔設備窩深工藝參數(shù)較難控制的問題，提出了一種基于CBR的裝配制孔窩深工藝參數(shù)優(yōu)化方法;蔡玫等基于本體理論將CBR基于實例推理應用到突發(fā)事件的應急決策方法中;劉志峰等將CBR基于實例推理與TRIZ發(fā)明問題解決原理結合，提出了綠色設計的創(chuàng)新方法;胡良明針對CBR基于實例推理在自動武器設計系統(tǒng)中實例庫龐大，檢索復雜的問題，改進了最鄰近相似度算法，避免盲目搜索;在經(jīng)過近四十年的發(fā)展，基于實例推理已被深化為基于計算機邏輯推理的四個過程：實例檢索、實例重用、實例修訂、實例存儲㈣。經(jīng)過實踐驗證已經(jīng)運用到教育、旅游、機械、醫(yī)療、法律、規(guī)劃等各個領域。

一、仿生設計實例表達的構建與分析

復制自然生物元素（實踐仿生學）的設計師也將自然視為問題解決方案的實例庫。根據(jù)自然界生物的在面對問題的解決方案映射到產(chǎn)品設計上，對于這種解決手段，基于案例的推理是一種突出的類比解決方案，因此重點即構建仿生學的實例庫的方法。圖1其計算機邏輯推理過程。

（一）仿生設計實例描述

仿生設計實例庫的建立方法分層次、分類型進行建立，將不同種類的設計形式聚類，進而避免檢索時盲目搜索，具體可分三個層級，分別是第一層級仿生設計物質(zhì)現(xiàn)象層和仿生設計情感內(nèi)核層，物質(zhì)現(xiàn)象層面的設計屬于直觀層面的功能應用，情感內(nèi)核層重在通過不同生物所激發(fā)的不同情感體驗來進行設計。第二層級內(nèi)容是物質(zhì)層和情感層分門別類進行歸納，這層次的主要工作是將仿生設計細化，將不同形式、不同方法的仿生設計將實例庫中的內(nèi)容進一步豐富，第三層是具體到實踐應用的各種實際仿生設計的內(nèi)容。

仿生設計的實例表達方法分為三個程序，每個程序中又有不同的類目，通過構建類目合理、內(nèi)容豐富的仿生設計形式最終達到完整的實例。具體的三個程序分別是仿生設計的對象，仿生設計的形式和仿生設計的各個設計要素的具體參數(shù)，通過三個程序的綜合構建達到整個仿生設計實例庫中每個實例的表達方式的設計。圖2是針對仿生設計對象而歸納的設計內(nèi)容，圖3是根據(jù)仿生設計形式歸納的設計內(nèi)容。

（二）仿生設計實例檢索框架

按照CBR實例檢索的典型方法，通過最顯著的特征相似性去尋找最適合實例，這樣可以快速高效地尋找到那些與當前需求相似程度較高的實例集。由于仿生設計仿生地對象千差萬別，即使是同一種生物其仿生部分可能也是完全不同的，考慮到不同項目類型所產(chǎn)生的不同效果，例如，從動物出發(fā)進行仿生與從植物出發(fā)進行仿生，其最終仿生得到的實際產(chǎn)品中所利用的自然元素、仿生內(nèi)容是截然不同的，不同仿生設計方法具有不同的側重，體現(xiàn)在實例庫中的仿生特征表達方式也是不同的。因此，仿生實例框架構建的第一步需要確定由目標需求所指引的仿生對象所屬的類型。

第二步是從實際設計的設計需求描述：設計需求的不同決定了不同的設計方式，即從設計需求和生物特征這兩個維度對目標設計實例進行分解，目前，仿生設計一般采用語言描述，而語言描述并無語義。因此，知識提取的首選方法是本體論，在與仿生有關的無語義的實例文檔中，獲取實際需要的仿生內(nèi)容。按照生物實體、屬性、仿生方式的思路提取出實例中的仿生源、生物特征、仿生設計形式、最終設計成果。該過程涉及實例、設計需求、生物特征、仿生策略四個基本概念。

二、實例推理仿生設計本體模型

根據(jù)實例推理進行設計實際上是將仿生設計參數(shù)化的過程，通過構建數(shù)學模型來提高仿生設計的設計速度與可行性。

（四）仿生方式（S）：典型的仿生設計方式有兩個因素：仿生設計方案，專家對于仿生設計結果的評價。由于仿生設計來自于自然界，或功能價值或藝術價值，仿生設計主要是運用工業(yè)設計的藝術與科學相結合的思維與方法，從人性化的角度，不僅在物質(zhì)上，更是在精神上追求傳統(tǒng)與現(xiàn)代、自然與人類、藝術與技術、主觀與客觀、個體與大眾等多元化的設計融合與創(chuàng)新，體現(xiàn)辯證、唯物的共生美學觀。仿生設計的內(nèi)容主要為模仿生物的特殊本領，利用生物的結構和功能原理來設計產(chǎn)品機械的設計方式。仿生物形態(tài)的設計是在對自然生物體，包括動物、植物、微生物、人類等所具有的典型外部形態(tài)的認知基礎上，尋求對產(chǎn)品形態(tài)的突破與創(chuàng)新。仿生物形態(tài)的設計是仿生設計的主要內(nèi)容，強調(diào)對生物外部形態(tài)美感特征與人類審美需求的表現(xiàn)。設計中設計師的個人理解是仿生設計的主要設計原動力，專家對于仿生設計結果的評價也更多是藝術角度、功能實現(xiàn)等的分析，很少建立基于數(shù)學模式以及理性計算的結果，此次研究針對此問題采用數(shù)學計算的方式與設計理解相結合的方式進行設計。

三、模型搭建的結果

（—）相似關系：仿生設計其實就是通過相似性在設計問題與生物原型之間找到連接的橋梁，張光鑒先生總結了相似學的三條定律：相似運動律、相似聯(lián)系律、相似創(chuàng)造律。仿生設計很大一部分都是通過相似性進行設計的。相似的程度可以分為局部相似與整體相似。局部相似性的設計經(jīng)常應用于功能設計上，例如高鐵列車圓滑、流線的車頭設計就是基于魚類在水中通過流線型的頭部造型以減少水中阻力為出發(fā)點的，以達到列車運行時減少風阻，整體相似更多運用于藝術設計領域，通過生物界不同生物整體造型引起的情感變化作為設計出發(fā)點，例如通過“觀象制器”整體運用生物特征進行藝術化加工使其達到觸動情感的設計。其基于實例進行推理的時候就是根據(jù)不同生物特征的權重進行對比選擇最相似的設計實例進行修改再設計。

（二）組合關系：仿生設計很多時候是多種生物學特征進行組合進行設計的，實際設計需求往往也是多種需求，這種形式的設計往往不同功能的復合使用，讓設計更具綜合性，實例庫中的各種實例也是不同生物特征。

（三）函數(shù)關系：在實際的設計過程中，通過查找選擇出相似的實例合集之后通過對各部分生物特征運用的重要程度賦值，賦值的確定是基于專家系統(tǒng)進行的，通過幾個設計專家商討共同確定設計不同權重的賦值，通過李克特量表進行打分再求取其均值，同時對設計需求各部分重要程度賦值，再進行數(shù)學計算：

四、應用

現(xiàn)代社會中，工作強度的加大導致辦公人員長時間的保持一個姿勢坐在椅子上辦公，很容易導致各種疾病，因此以椅子設計為例進行基于實例推理的仿生設計，要進行一款可以提高舒適度并且有利于健康的辦公人員座椅的設計C0，設計需求的關鍵在于提高舒適度，同時設計面向的人群為辦公人員，使用場地為辦公室，設計的出發(fā)點為健康，要求使用具有情感化的色彩和材質(zhì)。根據(jù)本文實例表達方式積累實例，下面是幾款優(yōu)秀的仿生設計的椅子，其表達形式如圖4-7所示。

經(jīng)過對四款仿生設計的座椅相似度的計算可以得出綜合相似度最高的是第三款馬鞍仿生椅子，接下來便是根據(jù)最為相似的實例進行實例修改，設計出滿足目標實例C0的新設計。

第三款馬鞍座椅是一名脊柱康復師所設計，充分考慮了如何通過坐姿矯正脊柱，在生理甚至醫(yī)學上是成功的，但是在外觀形式的設計以及使用舒適性尚有不足，對此進行了改進，首先是美觀性，從造型和色彩上進行設計，原本的馬鞍椅由于要對長時間在以坐姿進行辦公的工作室人員不正確脊柱彎曲進行矯正，因此讓其使用者通過降低腿部平均高度同時提升臀部并減少其受力面積的方式讓其使用者不由自主地進行坐姿姿勢的矯正，但其在使用過程中需要將腿部分開一個較大的角度，在空間狹小的辦公區(qū)域這種坐姿很容易導致?lián)頂D，一旦腿部空間有其他雜物，這將導致腿部活動空間變小，所以對此進行使用該座椅時讓腿部開角變小的改進方式進行重新設計，臀部坐姿與受力面積不便，縮小前面部分是此次改進在造型上的主要形式;其次是對其色彩進行豐富化，根據(jù)使用場景來看，辦公室區(qū)域的色彩偏理性，因此色彩選擇上選用深色調(diào)作為此次改進的色彩，座面及靠背部分采用深藍色，支架及椅腿的部分采用黑色，深藍色本身充滿理性與厚重感，符合辦公室人群的心理特征，這種色彩給人一種“重”的心理感受，辦公場所本身是一個需要理性辦公工作的地方，穩(wěn)重的色彩可以加強這種情感的提升，而深藍色與黑色兩種色彩都可以增加這種情感。圖8是最終的設計。

結論

通過將CBR基于實例推理的方法應用到仿生設計領域，通過對仿生設計實例的建立方式進行創(chuàng)新，形成針對仿生設計實例表達的框架并且運用該框架進行基于實例推理的設計方法進行實際設計，形成仿生設計的一種全新設計方法，并將新的設計實例存入自己的實例庫，由于該方法是通過計算相似性進行設計改進，因而在實際設計中，會因為實例庫的大小、實例表達的權重定制方式以及實例計算方式的選擇受到各種實際情況的影響不同，因此在實際設計過程中還需考慮諸多因素。